Immagini e percezione visiva

Onde elettromagnetiche Per radiazione elettromagnetica si intende la propagazione nello spazio di campi elettrici e magnetici, variabili nel tempo, generati da cariche o correnti oscillanti, strettamente intercorrelati fra loro. Tale propagazione avviene con trasporto di energia, ha carattere ondulatorio e quindi è caratterizzata da , , da un periodo e da una velocità di propagazione, che nel vuoto è c.

Spettro elettromagnetico Tensioni alternate (50 Hz) onde radio microonde (radar, telefonia cellulare) infrarosso luce visibile ultravioletto raggi X ( radiografia e tomografia) raggi gamma

Spettro elettromagnetico

Immagini digitali La funzione f(x,y) misura l’intensità luminosa nei punti di coordinate (x,y) dell’immagine stessa.

Radiometria Una immagine rappresenta l’energia luminosa proveniente dagli oggetti presenti nella scena Radiometria: settore della fisica che si occupa di misurare le grandezze legate all’energia luminosa Energia luminosa (E): quantità di energia trasportata dalla radiazione Potenza energetica (Q): energia trasmessa nell’unità di tempo

Sorgenti luminose Le sorgenti luminose emettono energia su numerose lunghezze d’onda L’emissione di una sorgente non è quasi mai confinata nella parte visibile dello spettro Spettro solare

Sorgenti luminose Con un prisma ottico è possibile separare e osservare le diverse componenti della luce visibile (rifrazione della luce) Esperimento di Newton

Immagini I corpi non sorgenti di radiazione assorbono, riflettono e trasmettono la radiazione luminosa Questi fenomeni si manifestano in modo diverso alle diverse lunghezze d’onda Il colore dei corpi dipende dall’insieme di tali fenomeni.

Immagini Sulla base delle precedenti considerazioni, per ottenere immagini digitali a colori, sembrerebbe necessario misurare l’intensità luminosa su ciascuna lunghezza d’onda dello spettro visibile. In realtà, grazie alle caratteristiche dei fenomeni percettivi tipici del sistema visivo umano, sono necessarie solo misure in corrispondenza di tre particolari lunghezze d’onda.

Imaging multispettrale È possibile ottenere diverse immagini dello stesso oggetto, usando radiazione con lunghezza d’onda diversa Le varie immagini metteranno in evidenza particolari diversi

Imaging multispettrale

Fotometria Nel caso in cui si consideri radiazione visibile si parla di fotometria, anziché di radiometria L’unità di misura fondamentale è quella dell’intensità luminosa (candela) Il lumen misura invece il flusso luminoso (F) e rappresenta l’energia irradiata nell’unità di tempo

Grandezze fotometriche Grandezza Definizione Unità di misura Illuminamento Emettenza Intensità Luminanza Riceve Emette 1 steradiante = angolo sotteso da una superficie di 1 m2 di una sfera avente raggio di 1 m

Risposta dell’occhio umano Per sapere come le grandezze radiometriche e fotometriche si legano alla sensazione prodotta dal sistema visivo umano, occorre conoscere la funzione di luminosità: risposta dell’occhio umano per le singole lunghezze d’onda della radiazione incidente Tale funzione ha due andamenti diversi, a seconda delle condizioni di illuminazione: visione diurna (fotopica) e notturna (scotopica)

Risposta dell’occhio umano

Intensità di una sorgente L’intensità luminosa L (o luminanza) di una sorgente che ha una distribuzione spettrale P(l) risulta: dove V(l) è la risposta spettrale dell’occhio.

COLORIMETRIA L’esperimento di Newton mise in evidenza che l’energia luminosa appare all’occhio umano con colori diversi a seconda della sua lunghezza d’onda e diede la possibilità di ottenere i colori spettrali. Poiché questi ultimi non includevano tutta la gamma delle tonalità di colore esistenti in natura, si presentò il problema di come ottenere tutti gli altri colori. Indagini successive portarono vari studiosi alla conclusione che tutti i colori potevano essere ottenuti mediante sovrapposizione di tre opportuni colori base. Modello di Young (1820): tutti i colori possono essere ottenuti mediante la sovrapposizione di tre colori primari: red, green, blue.

COLORIMETRIA Nel 1920 Guild e Wright realizzarono indipendentemente l’uno dall’altro, degli esperimenti che dimostrarono la validità della teoria di Young. Bisognerà attendere la fine degli anni 60 per avere la prima evidenza fisiologica dell’esistenza di tre distinti recettori nell’occhio umano.

Sintesi additiva Oggi la teoria del tristimolo, che spiega la percezione visiva dei colori, è ampiamente accettata. Il sistema RGB ne costituisce la formalizzazione quantitativa

Sintesi additiva L’intensità delle 3 sorgenti veniva variata fino ad ottenere un colore bianco esattamente uguale, in termini di percezione visiva, a una luce bianca di riferimento. La luce bianca si realizzava per una miscela R:G:B nei rapporti 1 : 4.6 : 0.06

Sintesi additiva La CIE (Commission International de l’Eclairage) decise quindi di adottare come terna di colori primari di riferimento nella sintesi additiva tre luci monocromatiche corrispondenti a tre zone ben definite dello spettro, nel rosso (700,0 nm), nel verde (546,1 nm) e nel blu (435,8 nm), indicate con le lettere R, G, B (red, gree e blue).

Teoria tricromatica Le 3 sorgenti luminose, definite come sopra, sono comunemente utilizzate come unità di riferimento per tutta la teoria tricromatica. La seconda parte dell’esperimento di Guild e Wright consisteva nel fare variare i rapporti fra le 3 sorgenti, in modo che i colori ottenuti fossero equivalenti, sempre dal punto di vista percettivo, al colore in esame, proiettato su una zona adiacente dello schermo. Un colore C viene riprodotto dalla combinazione dei 3 colori di base secondo lo schema: dove aR(C), aG(C), aB(C) sono le frazioni delle unità T, necessarie per ottenere il colore C.

Teoria tricromatica Proprietà additiva: Il colore C3, che può essere ottenuto mescolando i colori C1 e C2, può egualmente essere realizzato sommando la relative frazioni di ciascun primario che servono per ottenere C1 e C2.

Spazio RGB La rappresentazione grafica dei colori nello spazio RGB è un cubo A ciascun colore corrisponde un punto all’interno del cubo e le coordinate di tale punto esprimono le frazioni dei tre colori primari necessarie per ottenere il colore stesso Le 3 coordinate RGB variano ciascuna da 0 a 1 Il nero è rappresentato da (0, 0, 0) e il bianco da (1, 1, 1)

Spazio RGB I livelli di grigio stanno sulla diagonale che congiunge i vertici corrispondenti al bianco e al nero. Negli altri vertici ci sono i colori primari (rosso, verde e blu) e complementari (giallo, ciano e magenta). Nella sintesi additiva un colore si definisce complementare di un altro quando sommato a questo forma il bianco.

Spazio CMY Il modello CMY è molto usato nelle stampanti a colori I colori sono definiti per sottrazione, anziché per addizione come nel modello RGB I primari sottrattivi sono Ciano, Magenta e Giallo (CMY) I colori si ottengono filtrando la luce bianca: in tal modo infatti si sottrae colore da essa I filtri ciano e magenta lasciano passare solo la luce blu, magenta e giallo la luce rossa e i filtri giallo e ciano la luce verde

Sintesi sottrattiva Finora abbiamo parlato del colore ottenuto tramite mescolanze di luci colorate; è possibile anche ottenere colori come mescolanza di sostanze colorate (pigmenti, coloranti, ecc.). Per simulare il comportamento di tali sostanze nel generare il colore, si possono prendere in considerazione dei filtri colorati e in particolare i colori che si ottengono quando i filtri sono accoppiati secondo le combinazioni possibili. Un filtro ottico colorato è costituito da un mezzo a facce piane e parallele, di solito solido, che attraversato dalla luce bianca ne assorbe selettivamente una sua porzione: di conseguenza il filtro assume il colore prodotto dalla radiazione complementare di quella che viene assorbita. Consideriamo ora tre filtri di colore giallo (Y), magenta (M) e ciano (C), che costituiscono i colori primari della sintesi sottrattiva e poniamoli su un visore luminoso bianco, sovrapponendoli parzialmente secondo tutte le combinazioni. Nel caso di una sovrapposizione parziale di due filtri, il colore risultante è quello formato dalla componente luminosa che non viene assorbita da nessuno dei due filtri.

RGB vs CMY Sintesi additiva Sintesi sottrattiva

Occhio umano L’occhio è paragonabile ad una sfera di circa 12 mm di raggio, costituita da tre strati. Lo strato più esterno è una membrana fibrosa, detta sclera, sulla quale si innesta nella parte anteriore un tessuto trasparente, la cornea. All’interno della sclera si trova il coroide, strato intermedio assorbente di colore nero, contenente i capillari necessari per irrorare l’occhio. La prosecuzione naturale del coroide è l’iride, che forma la pupilla, di dimensioni variabili fra 2 e 8 mm. sclera I raggi luminosi vengono focalizzati dal cristallino sulla retina, la membrana più interna che rappresenta la parte sensibile alla luce e sulla quale si formano le immagini degli oggetti. Il cristallino è una vera e propria lente a fuoco variabile. Questa proprietà è detta accomodazione (possibilità di variare la curvatura del cristallino).

Occhio umano Le immagini si formano sulla retina La retina è formata di cellule fotosensibili (trasformano la luce in impulsi nervosi) Due di questi tipi di cellule sono chiamate coni e bastoncelli

Occhio umano Il compito dei coni e dei bastoncelli è quello di trasformare in impulsi elettrici le informazioni ricevute dalle reazioni fotochimiche che vengono attivate dalla radiazione luminosa e di inviare questi segnali ai neuroni retinici, che sono variamente connessi fra di loro ed effettuano una prima elaborazione del segnale visivo. Gli assoni delle cellule gangliari si riuniscono in modo da formare il nervo ottico, un cavo che conduce l'informazione visiva fuori dalla retina fino ai centri superiori.

Occhio umano Parte nasale Parte temporale I coni sono raggruppati nella fovea, mentre i bastoncelli sono distribuiti lungo la retina. I coni sono preposti alla visione diurna o fotopica, mentre i bastoncelli provvedono a quella notturna o scotopica.

Visione fotopica e scotopica caratteristica VISIONE FOTOPICA VISIONE SCOTOPICA Sostanza sensibile alla luce pigmenti dei coni rodopsina Tipo di cellule sensoriali coni bastoncelli Tempo di adattamento rapido (meno di 8 min) lento (30 min) Discriminazione colori sì no Numero di fotorecettori 7 milioni 120 milioni Massima sensibilità spettrale   550 nm 500 nm Bastoncelli Coni Alta sensibilità Bassa sensibilità Bassa luminosità Alta luminosità (1 cd/m2) La visione fornita dai coni è più nitida di quella fornita dai bastoncelli: ciò dipende dal fatto che i coni sono più sottili dei bastoncelli e quindi assicurano una migliore risoluzione spaziale.  

Curve di assorbimento spettrale dei coni. Coni e bastoncelli La sensibilità spettrale dei bastoncelli è diversa da quella dei coni Esistono tre tipi di recettori (coni), ognuno dei quali risponde a stimoli di tre colori diversi Curve di assorbimento spettrale dei coni.

La percezione visiva Ognuno di noi ha un “buco” nel proprio campo visivo, uno per occhio, ma non lo percepisce (punto cieco). Tutto il fondo dell’occhio è infatti coperto dai fotorecettori, tranne che in un punto, un’area di 1.5 mm di diametro, dove convergono i nervi e i vasi sanguigni della retina. Pertanto questo punto non è sensibile alla luce, è una zona senza informazioni. Però questo buco non viene notato consciamente, per due ragioni: l'altro occhio fornisce al cervello informazioni su cosa si trova in quella parte di campo visivo, anche se non molto dettagliate se l'altro occhio viene chiuso, il cervello riempie comunque il buco usando informazioni provenienti dalle zone immediatamente circostanti (“filling in”). È importante sottolineare che, quando viene usato un solo occhio, ciò che viene visto nell'area del punto cieco è solo una supposizione da parte del cervello, e potrebbe essere sbagliata.

Come scoprire il punto cieco Coprite l'occhio sinistro, ed osservate l'immagine qui sotto con l'occhio destro. Ponetevi ad una distanza di circa 30 cm dal monitor, e fissate con l'occhio destro la croce. È importante fissare la croce senza muovere gli occhi. Muovendo avanti e indietro la testa, dovreste notare che il pallino a destra scompare e riappare alternativamente. Questo perché, quando il pallino passa attraverso il punto cieco dell'occhio destro, il cervello usa l'area circostante (completamente bianca) per riempire il pezzo mancante; funziona anche coprendosi l'occhio destro e fissando il pallino.

Visione a colori La percezione dei colori è legata alla presenza di tre tipi di coni, sensibili ciascuno a tre colori diversi (rosso, verde, blu) Un’onda monocromatica invierà al cervello una tripletta di valori corrispondenti alla risposta dei tre coni a quella lunghezza d’onda Tale tripletta dà la sensazione del colore corrispondente

Visione a colori Ad esempio, un’onda di 500 nm (corrispondente al colore verde scuro) produrrà una tripletta di valori come quelli visibili in figura La tonalità di colore percepita dal cervello è quella relativa a tale tripletta

Sistema visivo umano La gamma dei livelli di intensità ai quali l’occhio può adattarsi è enorme (1010) Si passa dalla soglia scotopica al limite dell’abbagliamento La luminosità soggettiva (percepita dall’occhio) è una funzione logaritmica dell’intensità della luce incidente L’occhio umano non funziona simultaneamente sulla intera gamma dei livelli Piuttosto, passa attraverso una serie di livelli di adattamento alla intensità della luce

Effetto Mach L’occhio umano tende a “confondersi” al confine fra zone di differente intensità luminosa L’effetto Mach è dovuto alla tendenza dell‘occhio umano di vedere bande di rinforzo luminose o scure, nere, tra zone a differente luminosità. E’ ancora oggetto di discussione la base fisica del fenomeno. Si noti la banda scura che appare immediatamente a destra della gradiente chiaro-scuro e la banda chiara che appare immediatamente alla sua sinistra.

Contrasto simultaneo Altro fenomeno tipico è quello del contrasto simultaneo: il contesto contribuisce alla determinazione della luminosità di una regione I quadrati hanno tutti la stessa intensità, ma quello su sfondo scuro appare più chiaro di quello su sfondo chiaro Essi appaiono uguali solo quando sono a contatto

Contrasto simultaneo I quadrati neri tutti dello stesso livello di grigio appaiono più o meni scuri a seconda del livello di grigio dello sfondo. Il colore blu viene esaltato molto di più dall’accostamento con il giallo, suo complementare, che da quello con altri colori.

Daltonismo Le leggi della colorimetria valgono per tutta la popolazione tranne che per i daltonici Questo difetto colpisce l’8% della popolazione maschile e l’1% di quella femminile L’assenza totale dei coni o la presenza di solo un tipo di essi provoca il daltonismo totale La presenza di due tipi di coni diversi permette la visione di un certo tipo di colori e non quella di altri

Punti fantasma You may see spots where the white lines intersect, but if you try looking right at one, it will disappear. The spots, of course, aren't really there. They're caused by the way your eyes respond to light and dark areas. When an area is surround by light, your eye compensates by "turning down" the brightness a bit, making you see darkened blobs. In this grid, the areas surrounded by the most white are at the intersections of the white lines. Since this phenomenon works best in your peripheral vision, the spots disappear when you look right at them.